ご購入はこちら．
http://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/MTR/MTRZ201610.html

見本〈基礎編〉第１章

特集

アモルファス & コアレス・モータの開発〜簡単でないトレードオフ：アモルファスか電磁鋼板か，永久磁石との相性は…〜

モータ・コア材選択の基礎知識と磁気回路の考え方
中島
モータに関心がある方は，そこで使われる“モータ・コア材”がモータの性能を決める重要な鍵を握っていることはよくご存じであろう．コア材は，モータの損失要素の一つである“鉄損”の増減に関わるからである．しかし，モータに最適なコア材は簡単には決まらないという．鉄損の少ない効率の良いコア材を求めても，飽和磁束密度が小さい材料では大きな磁力が出せない，加工しにくく劣化しやすいものでも困る，永久磁石との相性等々．実はモータの用途から考えないとコア材の選定はできないという（モータ用とトランス用とでも求められる特性が異なる）．ここでは，モータ・コア材を選定するために必要な磁気回路の基礎とコア材の種類と特性を学ぶ．
（編集部）

１．モータ省エネ化とコア材開発● 電力消費の 1/2 以上がモータ機器で消費
日本でも世界でも，全電力消費量の 1/2 以上がモータ機器によって消費されているといわれています．原子力発電へ大きく依存することが難しい日本では，地球温暖化の進行を抑えるためにも，モータ機器の高効率化による，地球温暖化 CO2 の排出量の抑制が一層強く求められています．
このため，わが国でも 2016 年 4 月から商用周波数で駆動される“単一速度かご形三相誘導モータ”が省エネのためのトップランナー製品の対象に加えられまし晋

た（1）．また，このトップランナー基準を超えた高効率モータも開発されています．
● 高効率モータ開発の鍵はコア材
こうした“高効率モータ”実現の鍵を握るのが“コア材”です．モータのコアの材料は，日本語で鉄芯というように，鉄材でできています（コラム A）．
コア材は磁性体でできていて，モータの磁束をコントロールする（磁気回路を形成する）重要な働きを持
つ一方，鉄損（ヒステリシス損や渦電流損）による発熱源でもあります．
では，鉄損の小さなコア材を選択すれば「必ず高効率モータを実現できるか」といえば，そうではありません．
コア材の特性にはいろいろなものがあります．また，同じコア材でも，モータ用コアと変圧器（トランス）用コアでは，求められる特性が異なります．最近開発された高効率モータの中にはコア材として無方向性電磁鋼板をアモルファス合金に置き換えフェライト磁石と組み合わせることで，これまで実用レベルで不可能とされた超高効率を達成した事例が公表されています（2）．ここでは，この事例も含めモータのコア材の選択と活用法について解説します．

２．コア材を活用するための（4）基礎知識（3）
初めに，モータのコア材を選定するのに必要な磁気工学の基礎について解説しておきます．

鉄粉S

NN

磁石
図1

磁石と磁極

図2

No.5

ME05_003-022_ss1_1(04)-1.indd 3

磁石と磁束S

見本3

2016/08/27 16:13

■ 2.1磁石の磁極と磁石間で働く力● S 極と N 極 ―― ＋極と－極の関係と同じ？
棒磁石に鉄粉を振り掛けると，鉄粉の大部分は図 1のように棒磁石の両端に付着し，その中央部分にはほとんど付着しません．このように吸引力の最も強い部分を磁極と呼びます．また，この棒磁石の中央を糸で釣り下げたときに北を向く磁極を N 極，南を向く磁極を S 極と呼びます．
N 極と S 極の周辺には多くの鉄粉が付着するのですから，そこには強い磁場があると考えます．この磁場を説明するのに，磁束という概念を使います．N 極から磁束が発散し，S 極で収束して戻ってくると考えます（図 2）．
● N 極だけを取り出すことはできない
それでは，その棒磁石の N 極部だけを切り出せば「N 極だけの磁石になるか」といえば，そうではありません．不思議にも切断面は S 極になっています．磁石は，これをどれだけ細かく分割しても，どれも必ず N極と S 極が同時に現れ，磁極の持つ磁気の量である磁荷は N 極と S 極を切り離して自由に取り出せません（図 3）．
また，磁荷は電荷と異なり，磁石の中を自由に動くこともできません．
● クーロンの法則と磁界と磁気力と透磁率
電磁気学の基本法則に“クーロンの法則”というものがあります．高校の物理でも習うと思いますので，知っている方は多いでしょう．
ご存じのように N 極と S 極の間には吸引力，N 極同士，S 極同士の間には反発力が働きます．二つの磁極間に働く磁気力F（以下，太字斜体はベクトルであることを示す）は「その方向が両極間を結ぶ直線状にあり，それらの磁極の強さm 1，m 2 の積に比例し，相互間の距離 r ［m］の 2 乗に反比例」します．これがクーロンの法則です．

両端の磁極にはクリップがたくさんくっつく！
くっつかない中央部は不要だね！

中央部にはクリップがつかない

くっつかないところは不要だ！
N極だけを切り取れば，効率の良いN極だけの磁石がとれる

切ったところはS局のようだ…
磁力は弱くなったね…

方位磁石

切ってもN極とS極は，どうしてもできてしまうのか？

図3

4

ME05_003-022_ss1_1(04)-1.indd 4

磁石の N 極だけを取り出せるか？

見本
No.5

2016/08/27 16:13

〈基礎編〉第 2 章

特集アモルファス & コアレス・モータの開発〜モータ設計のトレードオフの中でコア材をどう選定するか〜

モータ設計者が考えるコア材とモータ設計
内山 英和
ここでは，モータ設計者の立場から「コア材をどう選択し，どのように磁気回路設計をするか」の考え方を示す．当然のことながら，モータ設計には具体的な用途・目標があり，それによってコア材の選択肢も変わる．コア材を選定すれば，それによってモータ設計もいろいろと変えざるをえない．しばしば静的磁気回路（つまり永久磁石からの磁束）のみに注目してモータ設計することもあるが，コイル側からの磁束にも考慮しなければならない．このように，トレードオフ関係はかなり複雑である．
（編集部）

１．モータ設計とコア材● モータ・コアは，なくてもいい！？
モータを構成する重要な要素に“コア”があります．
モータ・コアの役割は，磁石からの磁束の通り道となることです．しかし，磁束は，コアがなくても，空気中でも，真空中でも通ることができます．つまり，コアのないモータ“コアレス・モータ”というものも存在します．
しかし，磁性材のコアを用いて磁路（磁束の通り道．
磁気回路）を作ることで，より多くの磁束を利用することができます．多様な性能を求められる一般的なモータでは，磁気回路の制御性を高めるためにも，コアはとても重要なのです．コアの設計で重要なのはコア材です．
例として「CQ ブラシレス・モータ＆インバータ・キット」のモータの分解図を図１に示します．
● 最高の材質を選べるか？
モータを設計する時，常に世の中にたくさんあるコア材の中からどれかを選択します．
理想的には，最高の材質で最高の性能を発揮するモータを作りたいところですが，現実はそうはいかないことが多いのです．特に量産品開発の場では，性能は確かに重要な要件の一つではありますが，そこにコスト（材料費や加工しやすさ，設備など含む）の条件，モータ体格・形状の制約など，さまざまな制約の中で総合的に判断して進めなければなりません．
いわゆる，現実の開発の場では，ベスト設計というわけにはいかないのが通常です．「このコア材を使えば性能が出る」と確信しても，高価あるいは入手難などの理由で簡単には選べないのが常なのです．
● モータ性能に及ぼすコア材の差
コア材の選択で，どれだけの性能差が出るのでしょうか？ まずは理論的に考えてみましょう．
コアは，磁気回路での「磁束の通り道だ」と説明しました．電気回路で考えると電流が磁束，電圧が起磁力に相当します．
電気回路では，同じ電圧でも，回路の抵抗値の大きさによりそこに流れる電流値が変化します．これと同様に，磁気回路では，同じ起磁力（マグネットあるいはコイル・アンペア・ターン）でも磁気回路の抵抗により流れる磁束が変化します．

見本

図1
CQ ブラシレス・モータの分解図

23

ME05_023-033_ss1_2(05)-1.indd 23

No.5

23

2016/08/27 16:14磁気抵抗をR m とすると

● コアありモータ

lRm = l =μ0μr AμA（1）で表されます．
ここで，l ：磁路の長さ，A ：磁路（磁束の通り道）の断面積，μ は透磁率（μ0=4 π× 10 － 7：真空中の透磁率，μr：素材のμ0 に対する透磁率＝比透磁率）

磁気回路設計では，磁路を構成する各部での磁気抵抗の和を求めて計算します．
● 磁気抵抗を抑えるには ― 磁路は短く断面積は広くこの式（1）から，磁束の流れやすさが想像できます．
つまり，磁気抵抗は，・磁路の長さに比例・磁路の断面積に反比例することが分かります．ここは電気回路によく似ています．電気抵抗は，導体の長さに比例しその断面積に反比例でした．
電気回路と違う点もあります．磁気抵抗では式（1）のように分母に透磁率μ が掛けられています．例えば，真空中を考えるとμ0 が分母に掛かります．その値は，4 π× 10 － 7 なので相当大きな数値になります
ね（分母にあることに注意）．なお，空気の透磁率は真空の透磁率とほぼ同じです．
● コアレス・モータでの基本方針は一方，コアレス・モータでは，磁路は空気または非磁性体と考えていいでしょう．つまり，磁気抵抗がとても高くなります．そこで，磁気回路の形状を工夫して，なるべく磁極面積を大きく，磁路を短くする形状にします．
表１

式（1）のとおり，コアなど磁路に磁性材料を使うと磁気抵抗の式の分母にその材料の比透磁率が掛けられます．具体的に比透磁率の値（例）を見てみましょう（表 1）．
つまり，無方向性ケイ素鋼板を使うと真空中（空気中）よりも磁気抵抗が 1/18000，アモルファスに至っては 1/300000 になるというわけです．
ちなみに，磁極を構成するマグネット（ネオジム磁石やフェライト磁石）の比透磁率は約 1.05 ～ 1.10 です．
磁力の強い磁石だから比透磁率は高いと思われるかもしれませんが，逆で，ほぼ空気と同程度の磁気抵抗（つまり磁束が流れづらい）になります．
磁性材料を使えば，磁束が数万倍から数十万倍も流れやすくなると述べましたが，電気回路に比べるとその値は，抵抗損失エネルギーの観点からは大きいとは言えません．
磁束は真空中（空気中）も流れますが，電流はそこには流れません．

2．ロータ ･ コアとステータ ･ コア
● モータ・コアは二つあるモータ・コアというと，コイルが巻かれている鉄芯を思い浮かべる方が多いでしょう．しかし，一般にモータでは，磁束の通り道であるコアには 2 通りあります．例えば，ブラシレス DC モータとブラシ付きモータでは，コイル側のコアと永久磁石側のコアの二つです．つまり，代表的なコア材の比誘電率
板厚（mm）

比透磁率無方向性ケイ素鋼板

コア材

0.3518000

方向性ケイ素鋼板

0.1024000

アモルファス

0.025

300000純

一般的なコアありモータではどうでしょうか？

鉄

写真 1

200000日産リーフ駆動モータのロータ外観

真ん中で色が違って見えるのは，そこでコアの抜き方向が反対になっているため．これによりマグネット位置が左右の回転方向で若干ずれるス
キュー効果を出していると推測される

24

ME05_023-033_ss1_2(05)-1.indd 24

写真 2

日産リーフ駆動モータのロータ・コア

見本ロータ ･ コアに開けられた空隙部（穴）に強力なネオジム磁石が挿入されている（IPM 構造）No.5

2016/08/27 16:14

〈開発編〉第 1 章〜“WEM”の魅力と“モータ開発”の魅力〜

DD モータ独自開発の動機
籾井 基之“モスラ”1999 年 5 月

本特集の〈開発編〉では，EV エコラン・レース（WEM）で名をはせた筆者に登場してもらう．モータ開発の専門家でない筆者が，まだ誰も挑戦していないオリジナ
ルのダイレクト・ドライブ（DD）モータを開発・製作してレースに優勝することを目標に開発を続けた 16
年間の開発物語である．筆者は，鉄損をできうる限り低減化することで，メーカ製モータよりも良い性能を出そうと，文献収集から材料選択・購入，モータ仕様決定・設計・製作・レース車に搭載までを手探りしながら進めていく．開発したのは，アモルファス・コア採用モータを 3 機，鉄損ゼロを目指したコアレス・モータを 2 機だ．鉄損は下げられても，渦電流損が増えるなど，苦難な試行錯誤が続くが，目標のレースで4 連覇を達成する．
（編集部）

はじめに ―― 独自モータ開発でレースに挑み 16 年
“WEM（ワールドエコノムーブ）”優勝を目指して「オリジナル・モータ作り」にチャレンジ，苦節 12 年
で 2009 年にやっと優勝して以降，奇跡的に 4 連勝することができました（車名：Tachyon，写真 1-1）
．集大成として製作した新型コアレス・モータで，さらに連勝を狙っていましたが，2014 年 ･2015 年と 2 年連続パンクでレースを終えてしまい，結果を残せずにいました．2016 年の大潟村大会決勝では，周回後すぐにトップへ立ち快調に飛ばしていましたが，2 時間のレース終了 30 秒前で競り負け，113m 差の 2 位となりました．

写真 1-134

ME05_034-040_ss2_1(04)-1.indd 34

しかし，自己記録，コース・レコードを突破し，久しぶりに良いレースができました．
これらのモータについては，大潟村大会で優勝できたら内容を公開するつもりでいたのですが，前年の“Ene-1 もてぎ”で優勝，大潟村においてもトップ・クラスの性能であることが証明できたので，お披露目することにしました．
最近は，モータに興味を持つ人も増えてきており，ものづくりの一歩を踏み出す際の刺激になればと思い，16 年間にわたる苦しく楽しい，試行錯誤の過程をお伝えします．

1．ワールドエコノムーブ■ 1.1 WEM（ワールドエコノムーブ）とは？
● 秋田県大潟村で毎年 5 月の GW に開催
WEM とは，1995 年から秋田県“大潟村ソーラースポーツライン”（図 1-1，写真 1-1，写真 1-2）で，毎年 5月の GW に C.E.A.（クリーン・エナジー・アライアンス）が主催する 1 人乗り電気自動車のエコラン競技です．大会から支給されるイコール・コンディションの鉛バッテリ（12V-3Ah@10 時間率）4 個（写真 1-3）を使い，「2 時間でどれだけの距離を走行できるか」を競います．
● みんなで大会を作り上げている雰囲気がいい大会のある 5 月は，菜の花が満開になった行楽日和の中で開催され，レジャーと真剣勝負が混じったよう4 連覇した“Tachyon”（ドライバー：筆者）

見本
No.5

2016/08/27 16:15

特集

アモルファス＆コアレス・モータの開発

大潟村
北の橋

ソーラースポーツライン

②南の橋
折り返し

（a）スタート・ゲート（計測ポイント）
計測本部があるスプーン・カーブ

WEMコース（3km)①計測本部
スプーンカーブ
図 1-1

みゆき橋

大潟村ソーラースポーツラインのコース図

秋田県大潟村は八郎潟の干拓地の村．広大でほぼ平らな農地が広がる中に，全長 25km の（一般車両が通れない）村営のソーラーカー専用道路がある．①の計測本部がスタート地点．折り返し地点はレースによって異なるが，WEM では②が折り返しとなる．

（b）WEM の折り返し地点
写真 1-2

写真 1-3 イコール・コンディションのバッテリとして大会当日に供給される電池
古河電池製 FTX4L-BS × 4 個な独特の雰囲気があります．
また，車検員やコース・マーシャルはボランティア・スタッフが参加して，運営側とエントラントが協力して大会を作り上げている…，こういうのは他にない特徴です．
● 大潟村は WEM の聖地
WEM は，2002 年よりシリーズ戦として各地（過去，タイ開催もあった）で大会が行われ，それぞれの場所ごとに特色があります．
この「大潟村大会」は発祥の地であることに加えて，平坦で直線のコースなので，純粋な車両の走行抵抗（空力，転がり）やモータ効率で勝負が決まること（運転テクニックよりモノ作り技術），競技規則がとてもNo.5

ME05_034-040_ss2_1(04)-1.indd 35

ソーラースポーツラインの衛星写真（Google マップより）シンプルで自由度が高く，初回からほとんど変更がないことなどから，現在でも競技者の間では，WEM 界の「聖地」として扱われています．
● 2 時間で 92km を走行 ―― 記録は年々向上中！
2016 年 の 第 22 回 大 会（ 写 真 1 - 4）の 優 勝 記 録 は，
チ ー ム「PROJECT MONO ◇ TTDC」の“MONO-F”が出した 92.354km（平均 46km/h）でした．空気抵抗は速度の 2 乗に比例することから，記録はそろそろ頭打ちになるはずですが，まだ右肩上がりで向上しているように見えます．
第１回大会の優勝記録 63.798km から見ると 44% の向上で，平均すると毎回 1.36km（28.556km/21 回）ほど記録が向上していることになります（図 1-2）．

■ 1.2 WEM出場のきっかけ● エンジン・エコラン / ソーラーカーから WEM に！
大学入学以来，エンジン・エコランのサークル活動をしたり，ソーラーカー・レースに参加したりしてい見本
35

2016/08/27 16:15

〈開発編〉第 2 章～飽和磁束密度には気を付けろ！～

改良を重ねて 4 連覇を達成

アモルファス・コア DD モータの製作籾井基之“Tachyon”2011 年 5 月

コア材の選択はモータ効率化の鍵だ．それぞれ特性が異なるのだが，モータ性能にどのように反映されるのか実感しにくい．本章は，エコラン型 EV 用に“アモルファス・コア”を採用したモータ開発の話である．
アモルファス・コアは，鉄損を大きく低減できる特徴を持ち，筆者もその特徴を活かして EV エコラン優勝を目指そうとした．しかし，広く使われているケイ素鋼板をアモルファス鋼材に置き換えるだけ，というわけにはいかなかった．アモルファスは飽和磁束密度が低い特性もある．電気回路と同様に“磁気回路”においても充分に考慮しないと期待どおりの結果が出ない．
また，アモルファス材は，固くて脆く，極薄で，極めて加工しにくい．筆者は，9 年間の試行錯誤を経て独自コアレス・モータを開発した．そしてレース 4 連覇を果たした．その開発物語になっている． （編集部）

１．アモルファス選定とモータ開発コンセプト
前章で述べたように，ワールドエコノムーブ（WEM）に参加していた筆者は，“ヨイショット・ミツバ”チームがオリジナルの「ダイレクト・ドライブ・モータ」で参加し優勝したことに衝撃を受けました．このレースで優勝するには，既製品のモータではなくオリジナルのモータを開発するしかないと考えました．そして，日本では市販されておらず，WEM 出場者の間では，まだ誰も作成していなかった「アモルファス・コアを採用したダイレクト・ドライブ・モータを作る」と決心しました．アモルファス・コアを採用して鉄損を下げ，モータ効率が上がれば，優勝に向けて大きな戦力になるのではないか，と考えたのです．
注 1：日本非晶質金属（株）は，2004 年に日立金属（株）の完全子会社となり，2008 年に会社としては解散し日立金属に集約された．ちなみに，日立金属は，1988 年にナノ結晶磁性体である“ファインメット”という高機能コア材を開発していた．また，2003 年には米国 Honeywell 社から同社のアモルファスMetglas 事業部門を買収していた．

No.5

ME05_041-055_ss2-2(04)-1.indd 41■ 1.1

アモルファスの入手● 専門業者の門を叩いて幸運にもサンプルを入手
アモルファスに注目したものの，どのような材料なのか，どうやって入手するのか等々，まったく分からない状況でした．しかし，現状を打開するためには新たな一歩を踏み出すしかありません．
モータ ･ コアの加工を自分でやる覚悟があるのですが，ともかくアモルファス・コア材を入手するしかありません．そこで，当時日本でアモルファス材料を販売していた日本非晶質金属注 1 に「自作 EV 用にアモル
ファス ･ モータを作りたい」旨を直接相談したところ，興味を持ってもらえたようで好感触でした．
もちろん高価な材料でも購入する覚悟で伺ったのですが，何とありがたいことに，素人の個人活動にも関わらず，サンプルを提供していただけることになりました．また，いろいろなアドバイスもいただきました．
● アモルファスの加工性
日本非晶質金属からのアドバイスはとても参考になりました．コア材としては従来からあるケイ素鋼板より鉄損が大きく減少できるので，とても魅力があると思っていたのですが，意外にも期待ほど普及が進んでいないとのことでした．
当時のアモルファスは，インダクタや測定機などの特殊用途に限定されており，同社の営業戦略としては電柱トランス（用途としてアモルファス化による省エネ効果が大きい）に注力していくとのことでした．
ケイ素鋼板の材料置換として一気に普及しにくい原因として材料の特性があり，以下のようなことを教わりました．
（1）板厚が薄く（0.025mm），厚みを稼ぐには大量に積み重ねる必要がある．
（2）表面に絶縁コーティングがされていない．
（3）硬 くて（Hv900），脆く，板厚が薄いことから，プレス加工による打ち抜きが困難．
（4）少し異方性があり，焼鈍（消磁化）すると格段に性能が UP するが，さらに脆くなって，焼き海

見本412016/08/27 16:16

● アモルファスの品種は多様
一口にアモルファス材といっても，非晶質の鉄の合金なので，成分違いでいろいろな種類があります．
まず，そのうちのどれを選ぶかを決めなくてはなりません．
コア材の特性の要素としては，主に①透磁率（どれだけ敏感に磁束が通るか？）②飽和磁束密度③ヒステリシス損（磁束が N ⇔ S 変化する時の発熱）の三つに分類できます．
モータ ･ コアの用途としては，磁気抵抗（透磁率の逆数）の大きなエア・ギャップ（モータのステータとロータの隙間）が存在するので，コアの透磁率はさほど重要ではありません．ただし，低ヒステリシス損であることは重要です．
その他にも，・大径のコア ･ サイズが切り出せるコイル幅である
・軽量で高いトルクを出せるモータの設計● 飽和磁束密度が小さいのでモータ直径を大きくいざモータを設計してみると，まず何から設定したらよいのか分かりません．ただし，目標は，ミツバ ･チームのダイレクト・ドライブ・モータ（以下，DDモータ）より性能を上げることです．
ミツバの DD モータは，コアがケイ素鋼板です．ア
モルファスでは，鉄損は少なくなるものの，ケイ素鋼板より飽和磁束密度が小さいことが気になります．磁束が少ないとトルクが不足すると考え，ざっくりとミツバさんの DD モータより見た目で少し直径を大きくすることからスタートしました（図 2 - 1）．
また，同じ理由（飽和磁束密度が小さい）から，コイルを巻く部分のティースは太くする必要があることは想像していました．しかし，今から見れば磁気回路設計（磁石厚みに対してギャップをどの程度にすればよいか）をまったく理解していませんでした．
● 設計方針の決定
悩んだ結果，・ティースに磁束を多く流す・コイルのターン数は減らす

すると，電気抵抗が下がるので，銅損は減ると思い，
12°

R0.2

R01.5.58R0 R.5 0.2も重要なファクタです．
● 飽和磁束密度が高い鉄系アモルファスを選択
アモルファス金属としては，鉄系のほかコバルト系もありますが，以上のことを考慮して今回は，飽和磁■ 2.1

φ5R3φ773.5

アモルファスの型番選定

2. アモルファス・モータ1号機の製作

φ55■ 1.2が最適と判断しました．

R74.5（6）コイル幅が一番大きいのは 213mm で鉄系のみ．
想像以上にモータ ･ コアの形状に加工するのは難易度が高いと感じました．少し後ろ向きになりかけたのですが，逆にこういう困難があるので，多くの人はアモルファスに乗り換えにくい，その困難を乗り越えれば大きなアドバンテージが得られるのではないかと考えました．

束密度が高い，鉄系の“2605TCA”（ 現在は 2605SA1）

R48苔のようにパリパリになってしまう．
（5）結晶構造がないのでさびにくい．

5φ90φ96H780φφ7φ7φ5

図 2-1
最初に設計したアモルファス・コア

42

ME05_041-055_ss2-2(04)-1.indd 42

見本
No.5

2016/08/27 16:16

〈開発編〉第 3 章〜コアレスでも渦電流損は生じる！〜

優勝は逃したが大きな成果

アキシャル型コアレス DD モータの製作籾井 基之“スーパーモスラ”©ZerotoDarwinProject

前章では，筆者初めての自作モータ「アモルファス・コア DD モータ 1 号機」をはじめ，改良版を含め 3 機のアモルファス・モータを開発し，実際に優勝したことを紹介した．じつは，アモルファス 1 号機のモータのあとに，鉄損ゼロの魅力から「コアレス・モータ」を開発している．この章では，そのコアレス DD モータ 1 号機の開発の話である．まだコアレス ･ モータの情報がきわめて少ないなか，筆者は，海外文献のかすかな情報を頼りに開発に着手する．コアレス・モータ
は，コアがないのだから，鉄損はなくなるのだが，渦電流損はあるらしい．筆者は，このモータでレースには勝てなかったが，モータについて理解を深め，いろいろなノウハウを身に付けたといえる． （編集部）

1．コアレス・モータ製作の契機● アモルファス・モータ（1 号機）に対する失望…
初めての自作モータであるアモルファス・コア DD
モータの 1 号機を完成させ，そのモータで 2001 年と2002 年（改良版で）とレース（WEM）に臨み，優勝はできなかったものの連続で 3 位でした．
アモルファス・モータで，まずまずの成績を収めることはできましたが，当初の目的である「圧倒的なア（a）外観56

ME05_056-068_ss2_3(04)-1.indd 56

ドバンテージ」は得られませんでした．それゆえに，またもや新しいモータを作りたくなったのです．修行のような辛い作業はできるのですが，その反面飽きっぽいようで，今までに見たことのない世界を求めてしまいます．
● 気になっていたコアレス・モータ
筆者は，学生時代からソーラーカー・レースにも参加していて，オーストラリアの大陸縦断レース（WorldSolar Challenge）には今までに６回，参加しています．
モータを作り始めたばかりの 1999 年当時，すでにソーラーカーのモータ技術は意欲的なチャレンジが行われていて，筆者にとって常に関心の的でした．いろいろな書籍やインターネットが普及したタイミングも重なりいろいろな情報を探していました．
そうしたなかで，ソーラーカーの豪 AURORA チームが搭載していた不思議なコアレス・モータを見つけ
ま し た． こ れ は，1996 年 WSC の 解 説 書“Speed ofLight”に断面図が載っていましたが，「どこの部分が回るのか？」からして分かりません．しかし，アモルファスの中途半端な結果でモヤモヤしてときに，このコアレス・モータを思い出し気になってきました．
● アモルファスよりコアレスの方が鉄損は少ない！
アモルファス・コアがどんなに鉄損が少なくても，「コアがない“コアレス・モータ”に勝ることはないの（b）ロータとステータとに分解

写真 3-1
筆 者が昔 使 用したMaxon のモータ

見本
No.5

2016/08/27 16:18

特集

アモルファス & コアレス・モータの開発

コイル

永久磁石

Pe : 損失
B : 磁束密度ω ： 周波数
R ： 導体（1 本）の半径
l ： ギャップを通る導体の長さ
ρ ： 導体の抵抗（b）大量のマグネットで構成されたハルバッハ配列磁石リング

図 3-2（a）断面図（c）不思議なコイル
図 3-1 コアレス・モータを設計するのに参考にした論文
V. S. Ramsden, B. C. Mecrow and H. C. Lovatt,“Design of anin-wheel motor for a solar-powered electric vehicle”からでは？」と興味が湧いてきました（もちろん，コアの効果は充分にあるのだが…）．
よく考えると，最初に筆者がエコノムーブで使用したスイス Maxon 社のモータも代表的なコアレス・モータでした（写真 3 - 1）．このときは，コントローラも使わずにスイッチ・オンだけの低レベルの使い方だったのです．モータ本体は，無負荷電流が少なく，効率が良いことを思い出しました．
● 新たに開発するコアレス・モータのコンセプト
先ほど述べた 1996 年 WSC（豪州縦断）で AURORA
チームのソーラーカーに搭載された豪 CSIRO 社のコアレス・モータを参考することにしました．
エコノムーブ（WEM）では，ソーラーカー用モータ程のトルクは必要ないので，WEM にちょうどよい小型版を作りたかったのです．
海外のソーラーカー・チームは，いろいろな技術論文を発表してくれているので，インターネットで情報を必死で探しました．
● 文献からモータの内部構造を隅々まで読み取る
ネット上で一つの論文を見つけました．モータの内部構造が公開されていて（図 3 - 1），これを印刷して常に持ち歩き，極数，直列数，結線方法，画像から長さを測る等，ここから得られる情報は細かい部分まで穴が空くほど観察しました．
それでも今から思えば，せっかくいろいろな情報がネット上に公開されているのに，きちんと意味を理解できていないまま見切り発車で製作に入ってしまいま

No.5

ME05_056-068_ss2_3(04)-1.indd 57

論文中にあった渦電流の公式

した．特に重要な計算式（図 3 - 2）に関しても，頭では分かったつもりになっていたものの，実感していませんでした．

2．コアレス・モータの動作原理● フレミングの法則でトルクを発生
コアレス・モータは，“フレミングの法則”でトルクを発生させる，シンプルな原理のモータです．磁束の中に置かれた導体に，電流を流すとその導体に力が発生するのです．
回転しているモータには，次のような現象が起こっていることになります．
（1）回転するモータは常にコイルで誘起電圧が発生
モータでは，回転している間，ロータの永久磁石から出る磁束をコイル（導体）が横切るので「常に誘導起電力により電圧を発生（誘起電圧）」しています．これが“フレミングの右手の法則“です．この誘起電圧は，コイル端に電圧を掛け駆動している時も，電圧を掛けていないときも，回転しているときには必ず発生しま
す．
（2）コイル端の誘起電圧から電流取り出すと回生モータが回転し，コイル端に誘起電圧が発生し，そこから電流を取り出した場合は，“フレミングの右手法則”によって発電機として作用し，回転の反対方向に力が働きブレーキが掛かります［図 3 - 3（a）］．
（3）誘起電圧を超える電圧を印加すると…
誘起電圧を超える電圧を印加して電流を流し込んだ
場合は，“フレミングの左手の法則”によってモータとして作用し，駆動力を発生します［図 3 - 3（b）］．
● コアレス・モータがほとんど作られない理由
おもちゃに使われる小型のモータから，産業用の巨大なモータまで，一般的にモータと言えばコアにコイ

見本57

2016/08/27 16:18

見本